Diodele care emit lumină de mare putere (LED-uri de mare putere) pot fi de 350 milliwatts sau mai puternice într-un singur LED. Cea mai mare parte a energiei într-un LED este convertit în căldură, mai degrabă decât lumina (aproximativ 70% de căldură și 30% lumină). Dacă această căldură nu poate fi disipată, LED-urile strălucesc la temperaturi foarte ridicate. Acest lucru nu numai scade eficiența, dar, de asemenea, scurtează durata de viață a LED-ului. Prin urmare, managementul termic al LED-urilor de mare putere este un domeniu esențial de cercetare și dezvoltare. Este necesar să se limiteze temperatura de racordare a unei valori care asigură durata de viață dorită.
Transfer termic
Pentru a menține o temperatură scăzută a stratului de blocare care menține puterea ridicată a unui LED, trebuie luată în considerare orice posibilitate de îndepărtare a căldurii de la LED-uri. Conducta de caldura (reducere), indepartarea caldurii prin aer (convecție) si radiatii sunt cele trei posibilitati de transfer termic. De obicei, LED-urile sunt încapsulate într-o rășină transparentă, care este un conductor de căldură rău. Aproape toate de căldură generate este trecut prin partea din spate a cipului. Căldura este generată de tranziția p-n prin energie electrică care nu a fost transformată în lumină utilă. Acesta ajunge la punctul de lipire prin intermediul unei distanțe lungi de la punctul de conectare, punctul de lipire la placa de circuit și placa de circuit la chiuveta de căldură și este apoi direcționat către atmosfera mediului extern.
Temperatura stratului de barieră este mai scăzută dacă impedanța termică este mai mică sau temperatura ambiantă este mai mică. Pentru a maximiza intervalul de temperatură utilizabil pentru o anumită performanță a pierderii, rezistența totală la căldură de la punctul de racordare la mediu trebuie minimizată.
Valorile rezistenței la căldură variază foarte mult în funcție de materialul și componentele adiacente. De exemplu, RJC ( strat de barieră termică de rezistență la locuințe) variază de la 2,6 ° c/W la 18 ° c/w, în funcție de producătorul LED-ului. Rezistența termică a materialului de conductivitate termică (de asemenea, TIM: material de interfață termică) variază, de asemenea, în funcție de tipul de material selectat. Guying TIMs sunt epoxidice, pasta termica, adeziv si lot. LED-uri de mare putere sunt adesea montate pe plăci de circuit de metal de bază (MCPCBs) atașat la un radiator. Căldura a trecut prin placa de modul metalic și radiatorul care conduc căldura este apoi disipat prin convecție și radiații. În plus față de proiectarea și proiectarea corpului de răcire, uniformitatea suprafeței și calitatea fiecărei componente, presiunea, suprafața de contact, tipul de material de conduită termică și grosimea acesteia sunt. Acestea sunt parametrii pentru rezistenta la caldura sau de răcire a condus prin îndepărtarea de căldură.
Răcire pasivă
Factorii de răcire pasivă pentru gestionarea eficientă a căldurii LED-uri de mare putere sunt:
Conductor termic
Conductor termic este utilizat în mod normal pentru a conecta condus la bord și bord la radiator. Utilizarea unui conductor termic poate optimiza în continuare de ieșire de căldură.
Radiatorul
Chiuvete de căldură contribuie în mod semnificativ la îndepărtarea de căldură. Acesta funcționează ca un conductor care direcționează caldura de la sursa de LED-ul la mediu exterior. Chiuvete de căldură poate deduce energie în trei moduri: conductivitate termică (reducere: Transfer de căldură în interiorul sau de la un solid la altul), convecție (transfer de căldură de la un solid la un fluid în mișcare, pentru cele mai multe aplicații LED-ul este Fluidul aerului înconjurător) sau radiații (transfer termic a două corpuri de diferite temperaturi de suprafață prin radiații de căldură).
- Material:
Conductivitatea termică a materialului care alcătuiește radiatorul afectează în mod direct performanța de pierdere a conductivității termice. În mod normal, aluminiul este utilizat din cauza valorii foarte bune pentru bani. În cazul coolerelor plate, cupru este adesea folosit, în ciuda prețului ridicat de achiziție. Materiale noi includ termoplastice, care sunt utilizate atunci când cerințele de disipare a căldurii sunt mai mici decât în mod normal (de exemplu, de multe ori în cerințele de acasă) sau forme complexe în procesul de turnare spray face sens. Soluțiile de grafit au adesea un transfer de căldură mai eficient (nu conductivitate termică) decât cupru la o greutate mai mică decât aluminiu. Grafit este considerat o soluție de răcire exotice și este mai scump pentru a produce. Conductele de căldură pot fi, de asemenea, adăugate la coolere din aluminiu sau cupru pentru a reduce rezistenta la dispersie.
- Formă:
Transferul de caldura are loc pe suprafata coolerului. Prin urmare, chiuvete de căldură ar trebui să fie proiectate pentru a avea o suprafață mare. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unui număr mare de coaste fine sau prin lărgirea radiatorului în sine.
Deși o suprafață mai mare duce la o mai bună performanță de răcire, trebuie să existe spațiu suficient între coaste pentru a crea o diferență considerabilă de temperatură între coasta de răcire și aerul înconjurător. În cazul în care coastele sunt prea aproape unul de altul, aerul în între pot avea aproape aceeași temperatură ca coaste, astfel încât nici un transfer de căldură are loc. Ca urmare, mai multe coaste de răcire nu duce neapărat la mai multă putere de răcire.
- Textura:
Radiatia termica a coolerelor este o functie de textura de suprafata, in special la temperaturi mai inalte. O suprafață pictată are un nivel de emisie mai mare decât o suprafață luminoasă, nevopsită. Efectul este cel mai notabil pentru coolere superficiale, în cazul în care aproximativ o treime din caldura este disipată de radiații. În plus, o suprafață de contact netedă optimă permite utilizarea unei pastă de conductivitate termică mai subțire, care reduce rezistența la căldură dintre radiator și sursa LED. Pe de altă parte, anodizare sau gravura reduce, de asemenea, rezistența termică.
- Metoda de instalare:
Fixarea corpurilor de răcire cu șuruburi sau pene este deseori mai bună decât clipurile convenționale, conductorul termic sau banda. Pentru transferul de căldură între sursele de LED-ul de peste 15 wați și coolere LED, se recomandă să utilizați un material de înaltă căldură care efectuează interfață (TIM), care are o rezistență la căldură peste interfața de mai puțin de 0,2 K/W. În prezent, metoda cea mai comună utilizată este un material de schimbare de fază care se aplică la temperatura camerei sub formă de o pernă solidă, dar apoi convertește într-un lichid gelatinoase groase, de îndată ce se ridică de mai sus 45 ° C.
Tevi de caldura si camere de aburi
Conductele de căldură și camerele de aburi au efecte pasive și capacitățile lor de conductivitate termică sunt foarte eficiente de la 10.000 la 100.000 W/mK. Acestea oferă următoarele avantaje în managementul termic LED:
- Transportă căldură la un alt radiator cu scăderea temperaturii minime
- Controlul căldurii Isothermizes prin convecție naturală, creșterea eficienței și reducerea dimensiunii sale. Este un caz cunoscut în care adăugarea a cinci conducte de căldură a redus masa confluxului termic cu 34% de la 4,4 kg la 2,9 kg.
- Fluxul de căldură mare direct sub un LED eficient într-un flux de căldură mai mic, care poate fi disipată mai ușor.
PCB (strans: placa de circuit presat)
- MCPCB:
MCPPCB (metal Core PCB) sunt panouri care conțin un material de bază de metal pentru distribuția de căldură ca o parte integrantă a plăcii de circuit. Nucleul metalic constă de obicei dintr-un aliaj de aluminiu. MCPCB are avantajul unui strat de polimer dielectric cu o conductivitate termică ridicată.
- Separare:
Separarea circuitului LED de la bordul LED-ului previne căldura generată de conducătorul auto de la creșterea temperaturii stratului de blocare cu LED-ul.
Acoperire platină
- Proces aditiv:
Pe PCB, substanțele conductoare se aplică materialului de transport în timpul procesului de producție pentru crearea suprafeței structurale conductoare. Conductorul se aplică doar imaginii de cale a conductorului predeterminat. În contrast, acest lucru este gravat departe în procesul de scădere. În principiu, există o legătură directă cu radiatorul din aluminiu; De exemplu, nu este necesară nici un material suplimentar pentru conexiunea termică pentru circuit. Aceasta reduce straturile termice și suprafața termică. Etapele de procesare, tipurile de materiale și cantitățile materiale sunt reduse.
Plăci de scară din aluminiu (cunoscute și sub numele de plăci de circuite IMS pentru subStraturi metalice izolate)-crește conexiunea termică și asigură o tensiune de penetrare mare dielectrică. Materialele tolereaza caldura pana la 600 ° C. Circuitele sunt atașate direct de substraturi din aluminiu, astfel încât nu sunt necesare materiale de conduită termică. Conexiunea termică îmbunătățită poate reduce temperatura stratului de blocare a LED-ului cu până la 10 ° C. Acest lucru permite dezvoltatorului de a reduce numărul de LED-uri necesare pe un bord prin creșterea performanței pentru fiecare LED. Se poate reduce, de asemenea, dimensiunea substratului pentru a satisface limitări dimensionale. S-a dovedit că o reducere a temperaturii de tranziție crește în mare parte durata de viață a LED-ului.
Factor de formă
- Flip chip:
Cipul LED este montat cu fața în jos pe munte, care este de obicei fabricat din siliciu sau ceramică și este utilizat ca un distribuitor de căldură și substrat transportator. Racordul flip-cip poate fi eutectic, plumb, necondus sau auriu. Sursa de lumină primară provine din spatele cipului LED. Un strat reflectorizant este de obicei construit între emițătorul de lumină și site-urile de lipire pentru a reflecta lumina emisă în jos. Mai multe companii folosesc cazuri Flip-cip pentru LED-ul lor de mare putere, reducerea durabilității termice LED-ul cu aproximativ 60%. În același timp, fiabilitatea termică va fi menținută.
